A diffusive crack model for fiber reinforced polymer composites
Lifle güçlendirilmiş polimer kompozitler için yaygın çatlak modeli geliştirilmesi
- Tez No: 634975
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜSNÜ DAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 122
Özet
Son yıllarda Griffith teorisine bağlı keskin çatlak modeline dayalı kırılma mekaniği teorileri yerini yaygın çatlak modellerine bırakmaya başlamıştır. Yaygın çatlak teorileri yırtılmanın başlangıcının ve ilerlemesinin global enerji minimasyonu prensiplerine bağlı olarak hesaplanmasina dayanir. Yaygın çatlak modelleri arasında faz alani modeli; modüler olması, sürekli ortamlar mekaniği problemlerinin çözümünde sıkça kullanılan sonlu elemanlar yöntemi ile rahatça modellenebilmesi, varyasyonel prensiplere dayanması ve çözüm algoritmalarının simetrik cebirsel sistemlerden oluşması itibariyle ilgi çekmektedir. Anizotropik çatlak faz alanı yaklaşımı kullanılarak, üretilmiş kompozitlerin kopmasını modellemeye yönelik ilk girişim olan bu tezde, geçmişte izotropik kırılgan malzemeler ve anizotrop biyolojik dokular üzerine geliştirilmiş yaygın çatlak modelleri temel alınarak lifle güçlendirilmiş polimer kompozit yapılara özel faz alanı çatlak modeli geliştirilmiştir. Öncelikle, sonlu uzamalardaki deformasyonlardan ve çatlak faz alanından kaynaklı çok alanlı problemin varyasyonel prensibinin sürekli formulasyonu ve buna bağlı Euler-Lagrange denklemleri elde edilmiştir. Özellikle, türetilen birleştirilmiş denge denklemleri, anizotropik çatlak faz alanının oluşumunu ve doğrusal momentum dengesini vermektedir. Ek olarak, çatlak faz alanının oluşumunu düzenleyen enerji bazlı yeni bir anizotropik kopma kriteri önerilmiştir. Bu bağlamda matris ve liflerin yırtılma/kopma durumları enerjetik kuvvetin (hasara sebep olan kuvvet) izotropik ve anizotropik kısımlara ayrılması ile modellenmiştir. İzotropik ve anizotropik kısımlar için farklı kırılma enerjileri takdim edilmiş, ve yaygın çatlak alanı lif yönünü dikkate alacak şekilde anizotropik olarak modellenmiştir. Ayrıca çatlak ilerleme yönünde geometrik kısıtların da dikkate alınmasını sağlamak amacıyla koda geometrik direnç ifadesi ve farklı yönlerde çatlak uzunluğu ölçek dağılımını düzenleyen anizotropi parametresi de eklenmiştir. Birleştirilmiş problem, mekanik bir öngörme adımı ve bir çatlak oluşumu adımından oluşan tek geçişli bir operatör-bölme algoritması kullanılarak çözülmektedir. Kod sonlu eleman uygulamalarında kullanılabilir hale getirildikten sonra, karbon fiber takviyeli polimer kompozitlerde çatlak başlangıcı ve yayılımı için örnek niteliğindeki sayısal örnekler geliştirilmiştir. Ayrıca, kodun geçerliliği, tek yönlü APC2- prepreg katmanlarından oluşmuş kompozite ait karışık mod bükme test sonuçlarına göre kontrol edilmiştir. Modelin farklı çatlak yayılma modlarını yakalamadaki başarısı ve arayüz etkilerini simüle etme yeteneği ise lifle güçlendirilmiş polimer kompozit krişin enine yükleme testi ve analiz sonuçları arasındaki benzerlik ile kanıtlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Recently, classical fracture mechanics approaches based on Griffith type sharp crack topologies have left the stage to diffusive crack approaches or the so called phase field models. Crack initiation and propagation is based on the variational principles for energy minimization leading to symmetric set of algebraic equations. In this thesis, which is the first attempt to model failure of engineered composites using an anisotropic crack phase–field approach, Fiber Reinforced Polymer (FRP) specific anisotropic phase field model is developed in the light of the previous studies on isotropic brittle materials and anisotropic materials like biological tissues. It started with the continuous formulation of the variational principle for the multi-field problem manifested through the deformation map and the crack phase-field at finite strains which leads to the Euler–Lagrange equations of the coupled problem. In particular, the coupled balance equations derived render the evolution of the anisotropic crack phase-field and the balance of linear momentum. In addition, a novel energy-based anisotropic failure criterion is proposed which regulates the evolution of the crack phase-field. Distinct failure processes for the ground matrix and the fibers are modeled by additively decomposing the energetic force, driving force for the damage, into isotropic and anisotropic parts. Distinct fracture energies were introduced for isotropic and anisotropic parts and anisotropic damage field interpretation is used for the dispersed damage field. In addition, an anisotropic geometric resistance expression has been added to the theory, which regulates the crack length scale distribution in different directions, to ensure that geometric constraints are taken into account in the direction of crack propagation. The coupled problem is solved using a one-pass operator-splitting algorithm composed of a mechanical predictor step that updates the displacement field and a crack evolution step that updates the damage field. Representative numerical examples are devised for crack initiation and propagation in Carbon-Fiber-Reinforced Polymeric (CFRP) composites. Model parameters are obtained by fitting the set of experimental data reported in the literature to the predicted model response; the finite element results capture the effect of anisotropy in stiffness and strength both qualitatively and quantitatively. The proposed approach and its algorithmic implementation validated by Mixed Mode Bending (MMB) test results of APC2-prepreg unidirectional (UD) laminate. The success of the model in capturing different modes of failure and the ability to simulate interface effects have been demonstrated for double fix–end supported CFRP composite beam subjected to transverse load.
Benzer Tezler
- Metal infiltre edilmiş mikro poroz karbon kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışının karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
GÜLTEKİN GÖLLER
Doktora
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN TEKİN
- SC ilavesinin Al-Cu alaşımlarının mikroyapısı ve mekaniközelliklerine etkisi
The effect of sc addition on the microstructure andmechanical properties of Al-Cu alloys
KADİR GÖK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CEVAT FAHİR ARISOY
- İnce daneli çimento ile enjeksiyon model deneyleri
Model experiment of grouting with microcement
AŞKIN ÖZOCAK
- Benzin motorlarında indirgenmiş kinetik model uygulaması
Reduced chemical kinetic model application to spark ignition engines
CÜNEYT UYKUR